[论文解读] Astrophysics with the Laser Interferometer Space Antenna

Pau Amaro‐Seoane, Jeff J. Andrews+157 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Superconducting and THz Device Technology被引用 20

一句话总结

对 LISA 的天体物理景观进行全面评估，覆盖超紧凑恒星双星、超大质量黑洞双星，以及极端/中等质量比的向心辐合过程，以及它们的建模、数据分析和多信使潜力。

ABSTRACT

The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will be a transformative experiment for gravitational wave astronomy, and, as such, it will offer unique opportunities to address many key astrophysical questions in a completely novel way. The synergy with ground-based and space-born instruments in the electromagnetic domain, by enabling multi-messenger observations, will add further to the discovery potential of LISA. The next decade is crucial to prepare the astrophysical community for LISA's first observations. This review outlines the extensive landscape of astrophysical theory, numerical simulations, and astronomical observations that are instrumental for modeling and interpreting the upcoming LISA datastream. To this aim, the current knowledge in three main source classes for LISA is reviewed; ultracompact stellar-mass binaries, massive black hole binaries, and extreme or intermediate mass ratio inspirals. The relevant astrophysical processes and the established modeling techniques are summarized. Likewise, open issues and gaps in our understanding of these sources are highlighted, along with an indication of how LISA could help making progress in the different areas. New research avenues that LISA itself, or its joint exploitation with upcoming studies in the electromagnetic domain, will enable, are also illustrated. Improvements in modeling and analysis approaches, such as the combination of numerical simulations and modern data science techniques, are discussed. This review is intended to be a starting point for using LISA as a new discovery tool for understanding our Universe.

研究动机与目标

• 评估与解释 LISA 数据相关的天体物理过程与环境。
• 概述当前用于 LISA 信源类别的建模技术和数值模拟。
• 突出未解问题、存在的空白，以及 LISA 如何推动对双体演化和黑洞人口统计的理解。
• 讨论与电磁观测及其他引力波探测器的多信使协同。
• 概述改进模拟、数据分析和推断方法的方法学任务。

提出的方法

• 综述并综合当前关于三大 LISA 信源类别的知识：超紧凑恒星双星、超大质量黑洞双星，以及 EMRIs/IMRIs。
• 概述形成通道、环境效应以及演化过程，导致可被 LISA 探测的信号。
• 讨论建模技术，包括数值模拟、半解析方法，以及机器学习/推断方法。
• 识别未解问题、差距，以及来自多信使观测的潜在收益。
• 提出通过电磁对应观测和跨任务协同来最大化科学回报的策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三大主类中，LISA 信源的主导天体物理形成通道是什么？
• RQ2 环境与动力学过程如何影响 GW 信号及 LISA 信源的参量估计？
• RQ3 在银河系内及星系外背景中，预计可被 LISA 探测的双星发生率和人口统计学特征是多少？
• RQ4 多信使观测如何补充 GW 数据以约束双星演化和黑洞人口统计？
• RQ5 为有效建模、模拟和解释 LISA 数据，需要哪些方法学方面的进展？

主要发现

• 银河 WD+WD 双星是 LISA 前景的主导，预测可分辨成千上万的 WD+WD 系统，同时也可探测若干 NS+NS 和 NS+WD 系统。
• LISA 可探测的 BH+BH 双星可观测至数百 Mpc，使在地面探测器看到最终合并之前获得合并前的洞见。
• EMRIs 和 IMRIs 提供有保障或可辩的科学价值，包含关于星系核动力学和 MBH 附近恒星相互作用的丰富信息。
• 跨电磁波段和 GW 探测器的多信使观测将提升定位、质量测量，以及对双星演化的理解。
• 迫切需要改进建模和数据分析技术，包括机器学习方法，以充分利用 LISA 数据。
• 验证双星为空间仪器测试和早期科学结果提供关键基准。